DE19741855A1

DE19741855A1 - Optoelektronische Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE19741855A1
Application number: DE1997141855
Authority: DE
Inventors: Kai Stapelfeldt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: EP0903560A3; EP0903560A2; DE19741855B4; DE19741855B8

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Sensor einrichtung, umfassend wenigstens zwei benachbart angeordnete lichtempfindliche Sensorelemente, die bei der Beaufschlagung ihrer sensorische Flächenbereiche mit Licht das Fließen oder Hindurchfließen eines elek trischen Stromes ermöglichen, dessen Stärke in Abhän gigkeit der Lichtintensität variiert, wobei die beiden Sensorelemente auf vorbestimmbare Weise elektrisch zusammengeschaltet und betreibbar sind.

Optoelektronische Sensoreinrichtungen dieser Art werden für viele sensorische Zwecke eingesetzt, beispielsweise um definierte Schaltpunkte zu erzeugen, wenn sich ein Objekt, das ein Papierbogen, ein Werkstück, ein Faden oder dergleichen sein kann, den lichtempfindlichen Flächenbereiche derartiger optoelektronischer Sensor einrichtungen nähert bzw. Licht, das auf derartige Sensorbereiche geleitet bzw. fokussiert geleitet wird, eben durch ein derartiges Objekt abgedeckt wird. Ein Grundproblem bei derartigen optoelektronischen Sensoren ist, daß man bestrebt ist, mit verhältnismäßig einfachen Mitteln einen definierten Schaltpunkt zu erzeugen, wenn sich das Objekt, das den Schaltvorgang auslösen soll, bestimmungsgemäß den sensorischen Flächenbereichen der optoelektronischen Sensoreinrichtung genähert hat. Diesem Ziel steht grundsätzlich entgegen, daß derartige sensorische Flächenbereiche von Sensorelementen kon struktiv nicht unendlich klein ausgestaltet sein können, da nur dann, wenn dieses möglich wäre, auf sehr einfache Weise ein sehr definierter Schaltpunkt erreicht werden könnte.

Man hat dieses Problem dadurch zu lösen versucht, daß man zwei Sensorelemente, die endlich große sensorische Flächenbereiche aufweisen, nach dem sogenannten Diffe renzlichtverfahren betreibt. Das Differenzlichtverfahren arbeitet derart, daß beispielsweise in Form von Photo dioden ausgebildete Sensorelemente in einem gewissen Abstand voneinander anordnet und die sensorischen Flächenbereiche mit Licht beaufschlagt wurden, das man beispielsweise mittels einer lichtemittierenden Diode oder auch mittels anderer Lichtquellen erzeugt. Im Ru hezustand, d. h. bei ungestörtem Lichteinfall auf beide sensorischen Flächen, werden diese durch geeignete Ausrichtung des Lichts gleichmäßig beleuchtet. Durch eine elektronische Schaltungseinrichtung werden die von den Sensorelementen bzw. Photodioden herrührenden elektrischen Ströme gemessen und mittels dieser derart ausgewertet, daß ein Differenzstrom aus beiden Strömen erzeugt wird. Werden die beiden sensorischen Flächen der Photodioden mit gleicher Lichtintensität beaufschlagt, so ist die Differenz der elektrischen Ströme beider Sensoren 0. Wird jedoch zwischen der Lichtquelle und den Sensoren besagter lichtabsorbierender Gegenstand hin durchbewegt, so ist der Differenzstrom nicht mehr 0 und es kann aufgrund dieses von 0 verschiedenen Stromes ein Schaltvorgang ausgelöst werden.

Mittels geeigneter elektronischer Maßnahmen einerseits und dem Vorsehen von Blenden und Fokussierungseinrich tungen andererseits kann bei diesem bekannten Differenz lichtverfahren Störlicht bis zu einem gewissen Grade unterdrückt werden. Die Empfindlichkeit der Sensorele mente kann in den meisten Fällen durch eine Einstellung der Schaltschwelle durch entsprechende Beschaltung beeinflußt werden. Im Handel erhältlich sind beispiels weise Differenzphotodioden ohne Auswerteelektronik (Siemens AG, Typ BPX48), oder eine komplette elektro nische Sensoreinrichtung (Fa. Optec, Typ OPR 5001) mit zwei Photodioden als Sensorelementen und somit zwei sensorischen Flächenbereichen, die eine einstellbare Schaltschwelle aufweisen und eine integrierte Auswerte elektronik umfassen. Bei dieser Sensoreinrichtung wird nur ein Schaltvorgang ausgewertet und zur Anzeige gebracht.

Der Nachteil der bekannten optoelektronischen Sensor einrichtung liegt im wesentlichen in dem endlichen Abstand der beiden sensorischen Flächenbereiche zueinan der und der mangelnden Kompensationsmöglichkeit von Schwankungen in der Intensität der Lichtquelle. Der endliche Abstand der beiden sensorischen Flächenelemente führt dazu, daß ein bestimmter Ort, relativ zu den beiden sensorischen Flächenbereichen, an dem ein Schal ten bei Annäherung eines Objekts beabsichtigt ist, für eine Annäherung bzw. Abdeckung des Objekts relativ zu den sensorischen Flächenbereichen bei einer Annäherung von einer Richtung gegenüber der Annäherung von einer entgegengesetzten Richtung geometrisch auseinanderliegt. Wenn es möglich wäre, die Empfindlichkeit der Sensorele mente einzustellen, so beispielsweise bei dem oben erwähnten Sensorelement OPR 5001, so würden sich die Schaltorte von einer Annäherung des Objekts den sensori schen Flächenelementen gegenüber von einer Richtung und der anderen, entgegengesetzten Richtung mit steigender Empfindlichkeit voneinander entfernen. Das führt dazu, daß es beispielsweise nicht oder nur unzulänglich möglich ist, die genaue Breite von Gegenständen zu bestimmen, die zwischen der Lichtquelle und den Sensor elementen bewegt werden. Wird ein Objekt, beispielsweise eine Visitenkarte, von einer Seite zur anderen Seite über die Sensorelemente bewegt, so wird zuerst die erste sensorische Fläche abgedeckt, bis es zu einem Schaltvor gang kommt. Befindet sich das Objekt vollständig über den sensorischen Flächenbereichen, ist erneut ein Ruhezustand erreicht(Zurückschaltung). Wird der erste sensorische Flächenbereich im Zuge der Weiterbewegung des Objekts wieder freigegeben und somit wiederum mit Licht beaufschlagt, so wird erneut ein Schaltvorgang ausgelöst. Die vorbeschriebenen Schaltvorgänge liegen geometrisch auseinander, wodurch eine größere Breite des Objekts vorgetäuscht wird als dieses tatsächlich hat. Intensitätsschwankungen der Beleuchtungsquelle würden ebenfalls zu dem gleichen Effekt führen. Bei der oben beschriebenen Sensoreinrichtung OPR 5001 wird lediglich ein Schaltzustand ausgewertet und es ist dort nur möglich, das Objekt aus einer Richtung an die Sensorein richtung heranzuführen. Somit kann diese Sensorein richtung nicht zur Breitenbestimmung von Objekten verwendet werden.

Es gibt aber in den verschiedensten Anwendungsbereichen für derartige optoelektronische Sensoreinrichtungen die Notwendigkeit, daß eine genaue Detektion von beispiels weise einer Vorder- oder Hinterkante eines Objekts erreicht werden muß, beispielsweise bei Stanzungen aus Papier, Kartonagen, einer Objekterkennung (Breitenerken nung) von Gegenständen zur Separierung in Ablaufprozes sen (Fließband, Aussortierung von Objekten mit Obermaß usw.). Desweiteren besteht die Notwendigkeit, daß für bestimmte Anwendungsfälle in der laufenden Fertigung von Objekten eine Richtungsänderung des Förder- bzw. Ferti gungsprozesses erforderlich ist. Auch hierbei ist es wichtig, exakt den geometrischen Ort einer Kante eines Objekts sensorisch von beiden Richtungen zu erfassen.

Wie eingangs erwähnt stellt auch die Lichtquelle selbst, mit der die sensorischen Flächenbereiche beaufschlagt werden, eine die Meß- bzw. Erfassungsgenauigkeit von Objekten beeinflussende Komponente dar. Vielfach wird als Beleuchtungsquelle eine schon erwähnte lichtemit tierende Diode verwendet, die bekannterweise in ihrer Lichtleistung mit der Umgebungstemperatur schwankt. Bei handelsüblichen lichtemittierenden Dioden wird z. B. ein Temperaturkoeffizient von -0,55% K^-1, bezogen auf die Lichtleistung, angegeben. Diese Lichtschwankungen können normalerweise mit dem im Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Differenzlichtverfahren nicht kom pensiert werden, vielmehr werden sie sogar verstärkt. Bei eingestellter Schaltschwelle, beispielsweise bei der Sensoreinrichtung des Typs OPR 5001, führt das zu einer Verschiebung des Schaltpunkts, d. h. exakten Schaltortes, relativ zu den sensorischen Flächenbereichen. Dadurch verschlechtert sich die geometrische Auflösung der Sensoreinrichtung insgesamt und es ist somit für die meisten Fälle, wo es auf eine definierte Kantenerkennung bzw. eine definierte Schaltschwelle ankommt, der Einsatz derartiger, im Stand der Technik bekannter Sensoren nicht möglich bzw. führt nicht zu dem gewünschten Genauig keitsziel.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optoelektronische Sensoreinrichtung der eingangs ge nannten Art zu schaffen, die einen gleichen geome trischen Schaltort und somit Schaltpunkt für die Annä herung eines Objekts in einer Richtung relativ zu den Sensoren und in zu dieser Richtung entgegengesetzter Richtung zu den Sensoren ermöglicht, so daß eine exakte Bestimmung der Ausdehnung eines Objekts in seiner Dimen sion möglich ist, und zwar unabhängig von Intensi tätsschwankungen des die sensorischen Flächenbereiche der Sensorelemente beaufschlagenden Lichtes ist, wobei die erfindungsgemäße optoelektronische Sensoreinrichtung sowohl große als auch kleine Objekte und bis zu einem gewissen Grade auch transparente Objekte bezüglich ihrer Dimensionen exakt erkennen kann, und wobei die Sensor einrichtung an sich einfach im Aufbau und kostengünstig bereitstellbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Flächenbereiche der Sensorelemente längs einer Geraden aneinanderliegend ausgebildet sind, wobei die Bewegungsrichtung eines Objekts im wesentlichen ortho gonal zur Normalenrichtung des Einfalls des Lichts auf die Flächenbereiche unter einem spitzen Winkel α zur Geraden verläuft.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß dadurch bei Annäherung eines Objekts bzw. bei der Überstreichung des Objekts der sensorische Flächenbereiche, die aneinanderliegend ausgebildet sind, immer eine Abdeckung der beiden sensorischen Flächenbereiche zugleich stattfindet, wobei aber entsprechend der vorgegebenen Geometrie und Anord nung der jeweiligen sensorischen Flächenbereiche die Zunahme der Abdeckung der sensorischen Flächenbereiche durch entsprechende Weiterbewegung des Objekts über die Flächenbereiche unterschiedlich stark zu- und wieder abnimmt, wobei diese Zunahme weitgehend einer Parabel funktion, für jeden sensorischen Flächenbereich geson dert, folgt. Bildet man die Differenz der entstehenden Parabelfunktionen für Links- und Rechtsannäherung, so erhält man wiederum zwei um den Nullpunkt gespiegelte Parabeln. Die von den Sensorelementen gelieferten bzw. die durch die Sensorelemente hindurchfließenden Ströme ändern sich entsprechend der vorbeschriebenen Abdeckung der sensorischen Flächenbereiche durch das in den Strahlengang des Lichtes von der Lichtquelle zu den sensorischen Flächenbereichen gerichteten Lichtes und folgen somit den Parabelfunktionen, d. h. der Stromver lauf folgt weitgehend dem Verlauf der Parabeln. Die Differenzbildung kann dabei mittels geeigneter elektro nischer Schaltungen auf analoge und/oder digitale Weise realisiert werden.

Zwar bekäme man auch dann, wenn man in diese Parabeln eine vorbestimmbare Schaltschwelle hineinlegte, wieder unterschiedliche geometrische Schaltorte bzw. Schalt punkte für eine Annäherung eines Objekts zu diesem Schaltort bzw. zu diesem Schaltpunkt von einer Richtung gegenüber der dazu entgegengesetzten Richtung, diese Schaltorte sind aber gegenüber der im Stand der Technik bekannten optoelektronischen Senoreinrichtung schon minimalisiert, so daß sich diese Grundversion gemäß der erfindungsgemäßen Lösung für viele Anwendungszwecke eignet, bei denen eine bestimmte Schaltorttoleranz für Annäherung eines Objekts von zwei einander entgegenge setzten Richtungen noch akzeptiert werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des optoelektroni schen Sensors liegt der spitze Winkel α im Bereich von 45°, womit erreichbar ist, daß die erhaltenen Parabeln für die eine Annäherungsrichtung und die dazu entgegen gesetzte Annäherungsrichtung im wesentlichen identisch sind. Diese Maßnahme optimiert den Abstand der Schaltor te bzw. Schaltpunkte bei Annäherung eines Objekts relativ zu den sensorischen Flächenbereichen auf ein Minimum.

Vorteilhafterweise bilden die Flächenbereiche der beiden Sensorelemente zusammen ein Rechteck, wobei die Gerade durch die Diagonale des Rechtecks gebildet wird. Die Flächenbereiche könne in Anhängigkeit auch der mit der optoelektronischen Sensoreinrichtung durchzuführenden sensorische Aufgaben bzw. Einsatzfälle und optimal an diese angepaßt in ihrer geometrischen Ausdehnung und Form angepaßt sein.

So ist es beispielsweise bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der optoelektronischen Sensoreinrichtung denkbar, die Flächenbereiche beider Sensorelemente derart auszubilden, daß diese zusammen ein Quadrat bilden, wobei die Gerade durch die Diagonale des Qua drats gebildet wird. Die quadratische Grundform gemäß vorbeschriebener Art wird eine für viele Anwendungsfälle sinnvolle Ausgestaltung der sensorischen Flächenbereiche beider Sensorelemente darstellen.

Grundsätzlich ist es aber vorteilhafterweise ebenfalls möglich, die Flächenbereiche beider Senorelemente derart auszubilden, daß sie zusammen ein symmetrisches Vieleck bilden, wobei die Gerade durch die Symmetrielinie des Vielecks gebildet wird. Das heißt mit anderen Worten, daß sich an sich beliebige geeignete geometrische Flächenformen und Flächengrößen der sensorischen Flä chenbereiche der Sensorelemente eignen, um diese bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zu verwenden, und zwar unter Berücksichtigung der Fertigungsmöglichkeiten der Sensorelemente schlechthin und unter Berücksichti gung der mit der Sensoreinrichtung zu bewältigenden sensorischen Aufgaben.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sind die Flächenbe reiche mit einer im wesentlichen beide Flächenbereiche gleichflächig abdeckenden Blendeneinrichtung versehen, wobei die durch die blendenfreie Fläche der Blendenein richtung gebildete Blendenöffnung an sich eine beliebige geeignete Form aufweisen kann. Mittels der Blende erfolgt eine Abdeckung der für die sensorische Aufgabe nicht gewünschten sensorischen Flächenbereiche. Da aber die Blendenöffnung derart auf den beiden sensorischen Flächenbereichen angeordnet ist, daß die Blendenöffnung eine Fläche der eng aneinander angrenzenden Flächenbe reiche beider Sensorelemente bezüglich der Flächenform freiläßt, die gleich zur Flächenform beispielsweise der sensorischen Flächenbereiche ohne Blende ist, ergeben sich wiederum die gleichen Parabelfunktionen, wie voran gehend beschrieben. Die Verwendung der Blendenein richtung erlaubt jedoch vorteilhafterweise eine weitere Verfeinerung der geometrischen Auflösung und somit der Annäherung beider Schaltpunkte auf ein Minimum bei Bewegung des Objekts relativ zu den sensorischen Flä chenelementen von der einen Richtung gegenüber der von der entgegengesetzten Richtung.

Grundsätzlich kann, genau wie oben im Zusammenhang mit der Form der sensorischen Flächenbereiche beschrieben, die durch die blendenfreie Fläche der Blendeneinrichtung gebildete Blendenöffnung vorzugsweise rechteckig oder vorzugsweise quadratisch sein, sie kann aber auch vorzugsweise durch ein symmetrisches Vieleck gebildet werden oder auch schlicht vorteilhafterweise kreisförmig ausgebildet sein.

Bei einer noch weiteren vorteilhaften anderen Ausbildung der optoelektronischen Sensoreinrichtung sind jeweils erste elektronische Rechenwerke vorgesehen, auf die die Ströme (Sensor- oder Photoströme) beider Sensorelemente zur Erzeugung eines jeweiligen Quotienten der beiden Ströme gebbar sind. Dadurch wird ein linearer Verlauf der Funktionen erhalten, der unabhängig von Ampli tuden- und/oder Intensitätsschwankungen der Lichtquelle und von Störlicht ist. Die der Quotientenbildung unterworfenen Ströme ergeben sich aus der Multiplikation mit der jeweiligen Abdeckungsfunktion der abgedeckten jeweiligen sensorischen Flächenbereiche bei Annäherung eines Objekts. Bei gleichmäßigem Lichteinfall oder totaler Abdeckung wird der so erhaltene Quotient zu 1. Störlicht addiert sich hingegen zu dem normalen Licht, mit dem die Sensorelemente beaufschlagt werden. Die Summe aus Störlicht und normalem Licht wird dann mit der Funktion der Abdeckung multipliziert, so daß deswegen dadurch keine Beeinflussung erfolgt. Durch die Quotientenbildung entstehen zwei annähernd lineare Funktionen, die um ihren geometrischen Mittelpunkt gespiegelt sind. Zwar wird auch durch diese Methode noch nicht eine Identität eines Schaltortes bei der Annäherung eines Objekts von einer Richtung und einer Annäherung eines Objekts zu den Sensoren in zu dieser Richtung entgegengesetzter Rich tung erreicht, die beiden so erreichbaren Schaltorte bzw. Schaltpunkte nähern sich aber sehr stark aneinander an.

Da auch bei sehr starker Annäherung der beiden Schalt punkte, bezogen auf die Annäherung eines Objekts an die Sensorelemente aus einer Richtung und aus der zu dieser Richtung entgegengesetzten Richtung, die Sensoreinrich tung für bestimmte Einsatzzwecke immer noch nicht ausreichend präzise ist, ist es schließlich vorteilhaft, wenigstens zweite elektronische Rechenwerke vorzusehen, mit denen für entgegengesetzte Bewegungsrichtungen des Objekts im wesentlichen orthogonal zur Normalenrichtung des Einfalls des Lichts auf die Flächenbereiche für eine Bewegungsrichtung mittels einer Transformationsgleichung eine Verschiebung einer mittels des einen Sensorelements erzeugbaren Schaltschwelle gegenüber der mittels des anderen Sensorelements erzeugbaren Schaltschwelle einstellbar ist. Die mittels der Transformationsglei chung berechnete transformierte Schaltschwelle kann automatisch bei Festlegung der Schaltschwelle mittels der besagten elektronischen Rechenwerke gebildet werden. Würde man nun einen Gegenstand aus einer Richtung den beiden sensorischen Flächenbereichen nähern, so würde die so erhaltene, transformierte Schaltschwelle zum Schalten verwendet, würde man hingegen einen Gegenstand in zu der vorgenannten Richtung entgegengesetzten Richtung den beiden sensorischen Flächenbereichen nähern, so würde die normale, untransformierte Schalt schwelle zum Schalten herangezogen werden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden Zeichnungen und graphischen Darstellungen anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine elektronische Sensoreinrich tung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist,

Fig. 2 eine optoelektronische Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung bei der Annäherung eines zu detektierenden Gegenstandes in einer Annähe rungsrichtung,

Fig. 3 eine optoelektronische Sensoreinrichtung gemäß Fig. 2, jedoch bei einer zur in Fig. 2 darge stellten Annäherungsrichtung entgegengesetzten Richtung,

Fig. 4 eine optoelektronische Sensoreinrichtung gemäß Fig. 2, jedoch mit einem gegenüber der Fig. 2 kleineren, zu detektierenden Gegenstand,

Fig. 5 eine optoelektronische Sensoreinrichtung gemäß den Fig. 2 und 4, jedoch abgedeckt mit einer Blendeneinrichtung,

Fig. 6a, 6b eine Abdeckungs- bzw. Abschattungsfunktion bei einer Annäherung eines Objekts zur optoelektro nischen Sensoreinrichtung von einer Richtung und der dazu entgegengesetzten Richtung, bezogen auf das eine Sensorelement (A) und das andere Sensorelement (B),

Fig. 7a, 7b die in Fig. 5a, 5b dargestellten Funktionen nach der Differenzbildung in Form zweier um den Nullpunkt gespiegelter Parabeln,

Fig. 8 eine zusammengefaßte, vergrößerte Darstellung der Fig. 7a bei Intensitätsschwankung des Lichts der Lichtquelle für Linksannäherung,

Fig. 9 eine Funktion der Annäherung eines Objekts zu den sensorischen Flächenbereichen nach einer Quotientenbildung der Funktionen im Verhältnis des ersten zum zweiten Sensorelements,

Fig. 10 eine Darstellung gemäß Fig. 9, jedoch mit einem Verhältnis des zweiten Sensorelements zum ersten Sensorelement,

Fig. 11 der berechnete Quotient für das erste Sensor element zum zweitem Sensorelement und das zweite Sensorelement zu erstem Sensorelement für beide Annäherungsrichtungen,

Fig. 12 der Quotient für beide Sensorelementverhält nisse und beide Annäherungsrichtung gemäß dem Verlauf von Fig. 11, allerdings für A/B für Linksannäherung und B/A für Rechtsannäherung,

Fig. 13 eine Darstellung gemäß Fig. 12, jedoch mit eingetragener transformierter Schaltschwelle und normaler Schaltschwelle und

Fig. 14 ein Blockschaltbild zur Berechnung bzw. Aus wertung der von den beiden Sensorelementen der optoelektronischen Sensoreinrichtung geliefer ten Ströme.

Es wird zunächst Bezug genommen auf die Darstellung gemäß Fig. 1 der Erfindung, in der eine optoelektroni sche Sensoreinrichtung 10 dargestellt ist, wie sie bisher im Stand der Technik bekannt ist.

Bevor die optoelektronische Sensoreinrichtung 10 gemäß Fig. 2 kurz beschrieben wird, sei vorangestellt, daß die Erfindung sich generell auf Sensorelemente 11(A), 12(B) bezieht, die grundsätzlich alle im Stand der Technik bekannten lichtempfindlichen Sensorelemente 11(A), 12(B), beispielsweise Photodioden, Phototransistoren, Photowiderstände, Selenzellen und dergleichen umfassen kann. Es wird deshalb nachfolgend lediglich allgemein von Sensorelementen 11, 12 die Rede sein, wobei die optoelektronische Sensoreinrichtung 10 anhand von in Form von Photodioden ausgebildeten Sensorelementen 11, 12, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, realisiert, erfolgreich erprobt und berechnet worden ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 sind zwei Sensorelemente 11, 12 beabstandet zueinander angeordnet. Ein Objekt 19, dessen Vorder- oder Hinterkante oder dessen diesbezügliche eindimensionale Dimension erfaßt werden soll, wird in Bewegungsrichtung 17 auf die beiden Sensorelemente 11, 12 verschoben. In bezug auf die Darstellung von Fig. 1, was gleichermaßen aber auch für die Darstellung und Erklärung zu den übrigen Figuren gilt, wird vereinbart, daß die Bewegungsrichtung 17 in Richtung des Pfeils gemäß Fig. 1 als Bewegungsrichtung nach links definiert wird, die Bewegungsrichtung in Richtung des Pfeils gemäß Fig. 2 als Richtung nach rechts definiert wird. Es versteht sich aber, daß die Sensorelemente 11, 12 an sich in der x-y-Ebene eine beliebige Ausrichtung haben können und somit auch die Bewegungsrichtungen 17, 18 relativ dazu ebenfalls eine beliebige Ausrichtung haben können. Mittels einer hier nicht gesondert dargestellten Licht quelle fällt Licht 15 im wesentlichen orthogonal zur Normalenrichtung auf die sensorischen Flächenbereiche 13, 14, und zwar vorzugsweise parallel zu einer ge dachten Z-Achse, wobei die Koordinaten X, Y, Z karte sische Koordinaten sind.

Die nicht dargestellte Lichtquelle liegt beispielsweise in einem Abstand von wenigen Zentimetern gegenüber den beiden sensorischen Flächenbereichen 13, 14 der beiden Sensorelemente 11, 12. Die beiden sensorischen Flächen bereiche 13, 14 sind bei den im Stand der Technik bekannten optoelektronischen Sensoreinrichtungen 10 voneinander beabstandet, wie es auch in Fig. 1 darge stellt ist. Durch eine Elektronikeinrichtung werden die von den Sensorelementen 11, 12 herkommenden Ströme gemessen, es wird ein Differenzstrom ermittelt und dieser wird ausgewertet. Werden die sensorischen Flä chenbereiche 13, 14 mit Licht gleicher Intensität beaufschlagt, so ist die ermittelte Stromdifferenz Null. Wird jedoch zwischen der Lichtquelle und den Sensorele menten 11, 12 ein Objekt 19 hindurchbewegt, so ist die Stromdifferenz von Null verschieden und es kann mittels geeigneter elektronischer Mittel daraus ein Schaltvor gang erzeugt und ausgelöst werden. Aufgrund der Beab standung der beiden sensorischen Flächenbereiche 13, 14 bei der im Stand der Technik bekannten optoelektroni schen Sensoreinrichtung 10 liegen die Schaltpunkte bzw. Schaltorte für eine Annäherung des Objekts in Bewegungs richtung 17 gegenüber der Annäherung des Objekts 19 in Bewegungsrichtung 18 geometrisch auseinander. Würde man die Empfindlichkeit der Sensorelemente 11, 12 noch durch entsprechende Einstellung vergrößern, so würden sich die Schaltorte bzw. Schaltpunkte für eine Annäherung des Objekts 19 in Bewegungsrichtung 17 und Bewegungsrichtung 18 mit steigender Empfindlichkeit noch voneinander wegbewegen. Somit ist es mit der im Stand der Technik optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 nicht möglich, die genaue Breite von Objekten 19 zu ermitteln, die zwischen der Lichtquelle und der optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 hindurchbewegt werden.

Beim Gegenstand der erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensoreinrichtung 10, wie er in den Fig. 2 bis 4 darge stellt ist, sind die Flächenbereiche 13, 14 der Sensor elemente 11, 12 längs einer Geraden 16 aneinanderliegend ausgebildet, wobei längs der Geraden 16 auch noch ein hier nicht gesondert dargestelltes, sehr dünnes Isola tionsmittel zur optischen und elektrischen Isolation beider Flächenbereiche 13, 14 voneinander vorgesehen sein kann. Die Flächenbereiche 13, 14 sind im vorliegen den Falle wie zwei kongruente, rechtwinklige Dreiecke ausgebildet, es sind aber auch beliebige andere Formen der Flächenbereiche 13, 14 möglich. Die Flächenbereiche 13, 14 bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 sind derart zur Bewegungsrichtung 17, 18 eines Objekts 19 ausgerichtet, daß die Bewegungs richtung 17, 18 im wesentlichen orthogonal zur Normalen richtung des Einfalls des Lichts auf die Flächenbereiche 13, 14 unter einem spitzen Winkel α zur Geraden 16 verläuft. Optimale sensorische Ergebnisse mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 werden dadurch erreicht, daß der spitze Winkel α im Bereich von 45° liegt. Die Kantenlänge der jeweiligen als rechtwinklige, gleichschenklige Dreiecke ausgebilde ten sensorischen Flächenbereiche 13, 14 wird hier mit a bezeichnet, was hier allerdings nur für die mathemati sche Betrachtung der optoelektronischen Sensoreinrich tung 10, siehe unten, von Bedeutung ist. Die Sensorele mente 11, 12 liefern Ströme I_a und I_b, vergleiche das Blockschaltbild gemäß Fig. 14. Wird nun ein zu detektie rendes Objekt 19 entweder in der Bewegungsrichtung 18 gemäß Fig. 2 oder in der Bewegungsrichtung 17 gemäß Fig. 3 über die sensorischen Flächenbereiche 13, 14 geführt, so erfährt zunächst der eine sensorische Flächenbereich 13 eine größere Abdeckung durch das Objekt 19 als der andere sensorische Flächenbereich 14, vergleiche Fig. 2, bzw. umgekehrt der sensorische Flächenbereich 14 eine zunächst größere Abdeckung als der sensorische Flächen bereich 13, vergleiche Fig. 3. Die von den Sensorelemen ten 11(A), 12(B) somit gelieferten Ströme I_a und I_b folgen einer Parabelfunktion, vergleiche die Fig. 6a, 6b.

Die Quotientenbildung wird nach dem Prinzip der Log-Antilog-Funktion durchgeführt, d. h.

A/B = e^ln(A/B) - e^lnA-lnB,

vgl. Fig. 14. Durch entsprechende Differenzbildung mittels in jeweiligen Rechenwerken der Ströme, die nachfolgend voneinander subtrahiert werden, wird ein Differenzwert erzeugt, der zu zwei um den Nullpunkt gespiegelten Parabeln führt, vergleiche die Fig. 7a und 7b. Für A-B bei Rechtsannäherung entsteht die obere Parabel. Für Linksannäherung die untere. Für B-A ist es umgekehrt. Um möglichst einen linearen Funktionsverlauf zu erhalten und unabhängig von Amplitudenschwankungen der Lichtquelle und Störlicht zu sein, wird eine Quoti entenbildung der erzeugten Sensorströme nachfolgend durchgeführt. Die Sensorströme I_a, I_b ergeben sich aus der Multiplikation mit der jeweiligen Abdeckungsfunktion der abgedeckten sensorischen Flächenbereiche 13, 14. Bei Gleichheit oder totaler Abdeckung der sensorischen Flächenbereiche 13, 14 wird der Quotient zu 1. Störlicht addiert sich zu dem Licht 15 und wird dann mit der Abdeckungsfunktion multipliziert und führt deswegen zu keiner Beeinflussung. Für eine Annäherung des Objekts 19 (Linksannäherung) wird der Quotient (A-links)/(B-links), siehe Fig. 14, gebildet und für eine Annäherung aus entgegengesetzter Richtung (Rechtsannäherung) der Quotient (B-rechts)/(A-rechts) gebildet. Durch diese Quotientenbildung entstehen zwei annähernd lineare Funktionen, die um den geometrischen Mittelpunkt in bezug auf die f-Achse gespiegelt sind. Legt man zwischen 0 und 1 eine Schaltschwelle hinein, so gibt es ebenfalls für Annäherung von der einen Bewegungsrichtung 17 (links) und der anderen Bewegungsrichtung 18 (rechts) verschiedene Schaltpunkte bzw. -orte. Um dieses zu vermeiden, wird bei Annäherung beispielsweise von Bewegungsrichtung 17 eine Schaltschwellenverschiebung durchgeführt. Die sogenannte transformierte Schalt schwelle wird automatisch bei Festlegung der Schalt schwelle mit Hilfe einer Transformationsgleichung mittels elektronischer Maßnahmen gebildet. Nähert sich ein Gegenstand beispielsweise von der Bewegungsrichtung 17 (rechts) (dieses wird aus der Differenz oder den Quotienten der Sensorströme ermittelt), so wird die transformierte Schaltschwelle zum Schalten verwendet. Nähert sich hingegen ein Gegenstand von der Bewegungs richtung 18 (links), wird die normale, untransformierte Schaltschwelle zum Schalten herangezogen.

Durch das Hineinlegen von elektrischen Schaltschwellen ist es möglich, eine geometrische Verschiebung zu erzeugen. Wird die Schaltschwelle erhöht, so bewegt sich der Schaltort in Richtung der Bewegungsrichtung 17 (links), wird er erniedrigt, so bewegt er sich in Richtung der Bewegungsrichtung 18 (rechts). Hierdurch ist es möglich, die optoelektronische Sensoreinrichtung optimal an die gegebenen mechanischen Einbausituationen anzupassen. Diese Verschiebung hat aufgrund der Inten sitätsunabhängigkeit von der Lichtquelle keinen Einfluß auf das Schaltverhalten der Sensoreinrichtung. Die geometrische Auflösung kann durch die Wahl der Schalt schwelle beliebig verfeinert werden. Wird eine quadra tische Blendeneinrichtung 20, die allerdings nicht zwingend quadratisch sein muß und eine Blendenöffnung 21 aufweist, auf die sensorischen Flächenbereiche 13, 14, vergleiche Fig. 5, aufgebracht, so ergeben sich grund sätzlich die gleichen Abdeckungsfunktionen wie ohne Blendeneinrichtung 20. Dies bedeutet, daß man durch eine weitere Verkleinerung der sensorischen Flächenbereiche 13, 14 auch eine Vergrößerung des geometrischen Auflö sungsvermögens erhält.

Mit Hilfe der optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 können in einfacher Weise Justageprobleme gelöst werden. Beim Aufbringen von sehr feinen Blendeneinrichtungen 20 auf bestehende optische Komponenten könnte man mit der Anordnung von zwei Sensorelementen 11(A), 12(B) gemäß der Erfindung als sogenannte Justagesensoren für eine Serienfertigung von Objekten 19 eine sehr genaue und automatische Positionierung erreichen. Die Justage der Objekte 19 könnte unter einem Mikroskop durchgeführt werden, wobei die geometrischen Schaltschwellen an den Kanten des Objekts 19 durch elektrische Verschiebung eingestellt werden könnten. Sind die Schaltschwellen dann fest eingestellt, könnte anschließend automatisch, ohne Zuhilfenahme von Mikroskopen oder dergleichen, eine Positionierung der Objekte 19 erfolgen. Auch bei der Zentrierung runder Objekte 19 könnte die erfindungsgemä ße optoelektronische Sensoreinrichtung 10 eingesetzt werden. Mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 10 lassen sich auch sehr kleine Objekte 19 mit hoher Präzision erkennen und sogar bis zu einem gewissen Grade transparente Objekte 19, was gegenüber den bekannten optoelektronischen Sensoreinrichtungen 10 ein sehr großer Fortschritt ist.

Die der optoelektronischen Sensoreinrichtung 10 zugrun deliegenden mathematischen Überlegungen werden nachfol gend kurz unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 13 skizziert. Folgende Überlegungen wurden dabei ange stellt:
Es wird eine Lichtintensitätsberechnung mit Hilfe der Flächenabdeckung der Sensorelemente (A, B) 11, 12 durch ein lichtundurchlässiges Objekt 19 durchgeführt. Die Breite der Abdeckung ist größer als a.

a = 0,75 mm z. B.

Abdeckungsfunktion für Annäherung von links für Fläche A

Abdeckungsfunktion für Annäherung von links für Fläche B

von rechts A

von rechts B
Abdeckungsfunktionen, siehe Fig. 6a, 6b
Differenzbildung, siehe Fig. 7a, 7b
Yl(x) = Al(x) - Bl(x)
von links
Zl(x) = Bl(x) - Al(x)
von links
Yr(x) = Ar(x) - Br(x)
von rechts
Zr(x) = Br(x) - Ar(x)
von rechts
Berechnung der Lichtintensitätsänderung bei Verwendung einer Lichtquelle (LED) mit einem Tk von -0,55% K^-1 und einer Temperaturschwankung von 20°C bei Auswertung der Signale nach dem Differenzlichtverfahren für A-B und Linksannäherung.
Differenzlicht-Funktion ohne I-Schwankung:

Yl(x) = Al(x) - Bl(x)

Differenzlicht-Funktion mit I-Schwankung:

Ylf(x) = 0,89.(Al(x) - Bl (x)) (11%).

Beim Schaltvorgang kommt es durch die verschobene Kurve zu Ortsabweichungen des Schaltortes, siehe Fig. 8.
Quotientenbildung

siehe Fig. 9, 10, 11, 12.

Auswertealgorithmus zur Ermittlung des gleichen Schalt orts durch X-Transformation und Verschiebung der Schalt schwelle.

Es werden die Quotienten Al/Bl für Linksannäherung und der Quotient Br/Ar für Rechtsannäherung gebildet. Die Linksannäherung wird durch die durchgezogene Kurve beschrieben, vgl. Fig. 13, die Rechtsannäherung durch die gestrichelte Kurve. Wird eine Schwelle von z. B. 0,7 hineingelegt, so ergeben sich für Links- und Rechtsan näherung unterschiedliche geometrische Schaltorte. Um das zu vermeiden, wird bei der Rechtsannäherung die sogenannte x-transformierte Schaltschwelle zum Schalten verwendet. Diese transformierte Schaltschwelle ist bestimmt durch die Transformationsgleichung Y(Ys).

Die Transformationsgleichung lautet:

Ys = 0,7 z. B. Schaltschwelle
Y(Ys) = 0,097 ca. 0,1 transformierte Schaltschwelle

Diese Gleichung ist von x unabhängig und läßt sich einfach schaltungstechnisch realisieren.

Bei Rechtsannäherung wird z. B. die transformierte Schaltschwelle verwendet und bei der Linksannäherung die untransformierte Schwelle, siehe Fig. 13.

Es wird nun Bezug genommen auf eine elektronische Schaltung, die bei der Erfindung verwendet bzw. zu dieser gehört, vgl. Fig. 14. Die Quotientenbildung wird nach dem Log-Antilog-Prinzip durchgeführt. Um I_A/I_B zu bilden, wird e^lnIA^-lnIB in einem elektronischen Rechen werk gebildet, vgl. die Bezugsziffern 24, 25, 28. 2LnA-lnB ist für Linksannäherung immer kleiner 0 und es wird dieser Wert nach dem Exponentialglied 28 einem Komparator 29 zugeführt. Dieser löst nur dann einen Schaltvorgang aus, wenn der Stromwert nach dem Exponen tialglied 28 dem eingestellten Schaltschwellenwert (mit Hilfe des Schaltschwelleneinstellers 30) entspricht.

Nähert sich ein undurchsichtiges oder teilweise un durchsichtiges Objekt 19 von rechts, so ist die Differenz von lnI_A-lnI_B immer größer als 0. Um nun den Quotienten I_B/I_A zu bilden, wird jetzt der Wert lnI_A lnI_B mit Hilfe eines als Multiplizierer ausgebildeten Rechenwerks 27 mit -1 multipliziert. Dieses entspricht der Funktion In_B-ln_A. Nach dem Exponentialglied 28 ergibt sich: I_B/I_A=e^lnI_B-lnI_A und damit der Quotient I_B/I_A. Ein Schaltwerk 26 sorgt dafür, daß jetzt die transformierte Schaltschwelle zum Schalten herangezogen wird. Die transformierte Schaltschwelle

wird entsprechend der Quotientenbildung von A/B nach dem gleichen Log-Antilog-Prinzip gebildet. Der Mittelwert (ca. 1) entsteht, wenn die Ströme I_A und I_B gleich sind. Da in der praktischen Ausgestaltung der sensorischen Flächenbereiche 13, 14 die Ströme bei voller Abdeckung der sensorischen Flächenbereiche 13, 14 nie genau gleich groß sind, wird der Maximalwert zweckmäßig durch einen Dunkelstromabgleich bei der Herstellung der Sensorein richtung 10 gebildet. Zu diesem Zweck werden die Flächen A und B vollständig abgedeckt und der hinter dem Expo nentialglied 28 entstehende Spannungswert (annähernd 1) wird dann einem Komparator 33 zugeführt. Durch ein elektronisches Stellglied 32, wird der Abgleich vorge nommen. Dieses kann voll automatisch geschehen. Ist der Spannungswert des Komparators 33 gleich 0, so ist der Spannungswert des Stellgliedes 32 gleich dem Wert des Exponentialgliedes und entspricht damit dem Maximalwert für I_A ungefähr gleich I_B. Dieser Wert wird dann dem Schaltwerk 34 zur Funktionsbildung 1-Ys und 1+3.Ys zugeführt. Um den Maximalwert zu bilden, ist es auch denkbar, die Flächen A und B verkleinert mit einer Metallschicht versehen (zur Abdeckung) nochmals auszu bilden. Diese verkleinerten Flächen versorgen dann ihrerseits wieder ein Schaltwerk 24, 25, 28 und bilden somit den Maximalwert. Dieser kann dann wiederum dem Schaltwerk 34 zugeführt werden.

Bezugszeichenliste

10

optoelektronische Sensoreinrichtung

11

Sensorelement (A) (Photodiode)

12

Sensorelement (B) (Photodiode)

13

sensorischer Flächenbereich

14

sensorischer Flächenbereich

15

Licht

16

Gerade

17

Bewegungsrichtung (entgegengesetzt zu

18

)

18

Bewegungsrichtung (entgegengesetzt zu

17

)

19

Objekt

20

Blendeneinrichtung

21

Blendenöffnung

22

Strom/Stromleitung

23

Strom/Stromleitung

24

Rechenwerk (Logarithmierer)

25

Rechenwerk (Logarithmierer)

26

Rechenwerk (Umschalter)

27

Rechenwerk (* -1 Multiplizierer)

28

Exponentialglied

29

Komparator

30

Schaltschwelleneinsteller

31

Quotientenbildung

32

Maximalwerteinsteller

33

Komparator

34

Differentiales Addieren und Multiplizieren

Claims

1. Optoelektronische Sensoreinrichtung, umfassend wenigstens zwei benachbart angeordnete lichtempfindliche Sensorelemente, die bei der Beaufschlagung ihrer senso rischen Flächenbereiche mit Licht das Fließen oder Hindurchfließen eines elektrischen Stromes ermöglichen, dessen Stärke in Abhängigkeit der Lichtintensität variiert, wobei die beiden Sensorelemente auf vorbe stimmbare Weise elektrisch zusammengeschaltet und betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flä chenbereiche (13, 14) der Sensorelemente (11, 12) längs einer Geraden (16) aneinanderliegend ausgebildet sind, wobei die Bewegungsrichtung (17, 18) eines Objekts (19) im wesentlichen orthogonal zur Normalenrichtung des Einfalls des Lichts (15) auf die Flächenbereiche (13, 14) unter einem spitzen Winkel zur Geraden (16) ver läuft.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel α im Bereich von 45° liegt.

3. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche (13, 14) beider Sensorelemente (11, 12) zusammen ein Rechteck bilden, wobei die Gerade (16) durch die Diagonale des Rechtecks gebildet wird.

4. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche (13, 14) beider Sensorelemente (11, 12) ein Quadrat bilden, wobei die Gerade (16) durch die Diagonale des Quadrats gebildet wird.

5. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche (13, 14) beider Sensorelemente (11, 12) zusammen ein symmetrisches Vieleck bilden, wobei die Gerade (16) durch die Symmetrielinie des Vielecks gebildet wird.

6. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenbereiche (13, 14) mit einer im wesent lichen beide Flächenbereiche (13, 14) gleichflächig abdeckenden Blendeneinrichtung (20) versehen sind.

7. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die blendenfreie Fläche der Blendeneinrichtung (20) gebildete Blenden öffnung (21) rechteckig ist.

8. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die blendenfreie Fläche der Blendeneinrichtung (20) gebildete Blenden öffnung (21) quadratisch ist.

9. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die blendenfreie Fläche der Blendeneinrichtung (20) gebildete Blenden öffnung (21) durch ein symmetrisches Vieleck gebildet wird.

10. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils erste elektronische Rechenwerke (24, 25) vorgesehen sind, auf die die Ströme (22, 23) (Sensor oder Photoströme) beider Sensorelemente (11, 12) zur Erzeugung eines jeweiligen Quotienten der beiden Ströme (22, 23) gebbar sind.

11. Optoelektronische Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zweite elektronische Rechenwerke (26, 27) vorgesehen sind, mit denen für entgegengesetzte Bewegungsrichtungen (17, 18) des Objekts (19) im wesentlichen orthogonal zur Norma lenrichtung des Einfalls des Lichts (15) auf die Flä chenbereiche (13, 14) für eine Bewegungsrichtung (17; 18) mittels einer Transformationsgleichung eine Ver schiebung einer mittels des einen Sensorelements (11; 12) erzeugbaren Schaltschwelle gegenüber der mittels der des anderen Sensorelements (12; 11) erzeugbaren Schalt schwelle einstellbar ist.